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《超高速撞擊中的彈丸形狀效應數值模擬研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。
1、航天器環(huán)境工程第27卷第5期570SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年l0月超高速撞擊中的彈丸形狀效應數值模擬研究徐坤博1，龔自正1一，(1．北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；侯明強1，代福1，鄭建東12．北京空間飛行器總體設計部，北京100094)摘要：文章用AUTODYN仿真軟件對球形、圓錐形．圓柱形和盤形4種不同形狀彈丸超高速撞擊Whipple防護結構所產生的碎片云形貌特征及對后墻的毀傷程度進行了數值仿真研究．對比分析結果指出：質量與速度相等的4種不同形狀彈丸撞擊緩沖屏所產生的碎片云有明顯差異；彈丸長徑比越小，穿過緩沖屏后的破
2、碎程度越大；在5km／s撞擊速度下，球形彈丸對后墻的毀傷程度最小，而圓柱形彈丸的毀傷程度最大。這說明彈丸的形狀對超高速撞擊結果有顯著影響，在航天器超高速撞擊風險評估和防護工程設計中應充分考慮彈丸的形狀效應。球形彈丸的彈道極限曲線在防護結構的碎片防護能力評價時存在高估的問題，在實際工作中要特別注意這一點。關鍵詞：空間碎片；超高速撞擊；彈丸形狀效應；數值仿真中圖分類號：V520．7；TBll5文獻標識碼：^文章編號：1673-1379(2010)05-0570_06DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．05．0050引言隨著人類航天活動的日益頻繁，空間
3、碎片數量急劇增長，與航天器相撞的風險在增加。由于平均相對撞擊速度可達10km／s，會對航天器造成嚴重的撞擊損傷后果，因此對航天器的在軌長壽命、高可靠安全運行構成了現實威脅?？臻g碎片防護設計已成為航天器(特別是載人航天器)設計必不可少的環(huán)節(jié)和航天技術領域的研究熱點之一。航天器的碎片撞擊風險評估與防護設計需要大量的超高速撞擊特性數據。為了獲取空間碎片超高速撞擊特性數據，國內外開展了大量的地面模擬試驗研究?？臻g碎片超高速撞擊特性與模擬彈丸的材料、質量、形狀、速度、撞擊方向、環(huán)境溫度等因素密切相關。長時間以來，為地面試驗模擬方便，研究人員通常選用標準球形彈丸開展空間碎片撞擊特性的研究。
4、實際上絕大多數空間碎片的實際形狀并非球形，有圓錐形、圓柱形、盤形等。因此，為了較真實地反映空間碎片的超高速撞擊特性，必須研究非球形彈丸對航天器的損傷和對防護結構防護性能的影響。人們常使用二級輕氣炮來進行速度小于7km／s的空間碎片超高速撞擊模擬試驗。近年來，為了模擬速度大于7h眺的空間碎片撞擊試驗，還發(fā)展了許多可發(fā)射非球形彈丸的新的超高速發(fā)射技術，例如：阻抗梯度飛片超高速發(fā)射技術(HVL)【l】可將盤形鈦飛片的速度發(fā)射至19km／s，定向聚能加速器(ISCL)[2-3J可將長徑比為1～1．5圓柱狀彈丸的速度發(fā)射至11．5kllffs，等。這些新的超高速發(fā)射技術可發(fā)射形狀各不相同
5、的彈丸，這就給試驗數據之間的分析比對帶來了可能。由于空間碎片形狀多種多樣，而目前的試驗技術可以模擬的碎片形狀有限，且實際的試驗成本高、耗時長，所以開展超高速撞擊數值仿真研究是實際試驗的有力補充手段，經濟高效，可方便地用于非球形彈丸超高速撞擊特性的研究。1972年R0benH．Morrison最早在國際上開展超高速撞擊彈丸形狀效應的研究[41，他通過試驗獲得了在撞擊速度接近7km／s時不同質量與長徑比的圓柱形、球形彈丸對航天器典型Whipple防護結構的撞擊毀傷效果。此后，Evansl51、Willi鋤sen【6-71、收稿日期：2010．05．12；修回日期：2010．08．2
6、3基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃973(項目編號：2010CB731600)和國家國防科工局空間碎片專項(項目編號：KJSP06209，KJSP06210)資助項目作者簡介：徐坤博(1984一)，女，碩士研究生，專業(yè)研究方向為空間碎片防護。E．mail：xkb．龔自正(19“一)，男，研究員，博士生導師，現任國家國防科工局空間碎片防護專家組副組長，主要從事航天器空間碎片超高速撞擊防護、材料動態(tài)力學性能和高壓物理研究。E-mail：gongzz@263．net．第5期徐坤博等：超高速撞擊中的彈丸形狀效應數值模擬研究571HuKuifengt引、Beissel[9】等人用數值模
7、擬方法相繼開展了超高速撞擊彈丸形狀效應的研究，并得到不同形狀彈丸的彈道極限曲線。國內的張偉等人【Io．n】基于等效球形直徑對多種形狀彈丸的撞擊特性做了數值模擬研究。徐金中【l2】利用光滑粒子流體動力學(SPH)方法在進行空間碎片超高速碰撞數值仿真研究時，也涉及到了對彈丸形狀效應的討論。這些初步研究結果顯示，非球形彈丸沿主軸方向撞擊時，其對航天器的損傷比球形彈丸大，各種非球形的彈丸對防護結構的損傷均大于球形彈丸。對于雙層板防護結構，危害程度的估計比實際高1倍，對單層板防護結構則高出3倍?？偟膩?/p>
